Электрические разряды в воздухе

ИЗОЛЯЦИЯ И ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЕ

Методические указания к выполнению лабораторных работ

по курсу «Изоляция и перенапряжение в электрических системах»

Бишкек 2013

РАССМОТРЕНЫ Одобрены

на заседании кафедры на заседании методического

«Электроэнергетика» Совета ЭФ

Прот. № 6 от 5.02.2013г. Прот. № 6 от 15.02.2013г.

Составители: К.М. Мамбетова, Т.Р. Молдобаева

УДК 621.311

Изоляция и перенапряжение: Методические указания к выполнению лабораторных работ по курсу «Изоляция и перенапряжение в электрических системах» /КТУ, Бишкек, 2013. –58 с.

Излагается методика выполнения лабораторных работ, даны схемы установок, краткие теоретические сведения по физическим процессам, наблюдаемым в диэлектриках при воздействии внешнего электрического поля. Изложены положения по технике безопасности при работе с высоковольтным оборудованием, установленным в данной лаборатории.

Предназначены для студентов дневной, дистанционной форм обучения по направлениям 551700 и 551701 «Электроэнергетика».

Табл. 15. Ил. 30. Библиогр.: 5 назв.

Рецензент доцент, к.т.н. И.Н. Василенко

ОБЩИЕ УКАЗАНИЯ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ

Лабораторные работы по дисциплине «Изоляция и перенапряжение в электрических системах» предназначены для закрепления знаний, полученных в теоретических разделах курса, изучения высоковольтных испытательных установок и приобретения навыков работы на них.

Особенностью лабораторных работ по дисциплине «Изоляция и перенапряжение в электрических системах» является то, что они выполняются на установках напряжением выше 1000 В. Это обстоятельство, а также то, что студенты, как правило, не имеют квалификационной группы по технике безопасности, обуславливает дополнительные требования к организации проведения занятий.

В соответствии с действующими правилами техники безопасности и общими техническими требованиями к учебно-лабораторному оборудованию на лабораторных установках выполнены необходимые технические мероприятия, обеспечивающие безопасное проведение работ: предусмотрены защитные ограждения и заземления, блокировки, рубильники с видимым разрывом в цепях питания источников высокого напряжения и т.д. Все студенты перед началом лабораторных занятий проходят вводный инструктаж по технике безопасности. Студент должен заранее ознакомиться с описанием работы, изучить соответствующую литературу и составить предварительный отчет, в котором должно быть освещено следующее:

1. Цель работы и краткие сведения об изучаемом вопросе;

2. Схемы установок и испытаний;

3. Выполненные необходимые расчеты и подготовленные таблицы для записей результатов испытаний.

Без предварительного отчета студент к работе в лаборатории не допускается. Перед выполнением следующей лабораторной работы студент обязан представить и защитить отчет по предыдущей работе, в который, наряду с предварительным отчетом, входят полученные результаты и выводы.

ПРАВИЛА ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ РАБОТЕ В

ВЫСОКОВОЛЬТНОЙ ЛАБОРАТОРИИ

Общая часть

1. Настоящие правила распространяются на весь обслуживающий персонал высоковольтной лаборатории и студентов, выполняющих лабораторные работы.

2. Предписания настоящих правил являются обязательными. Никакие отступления от правил не допускаются.

3. Лица обслуживающего персонала, замеченные в нарушении настоящих правил, подвергаются административному взысканию вплоть до отстранения от работы, а студенты отстраняются от выполнения лабораторных работ и могут быть допущены вновь после письменного разрешения декана (заведующего кафедры).

4. Лица, не имеющие непосредственного отношения к работе в лаборатории, допускаются в помещение лаборатории с разрешения руководителя в сопровождении сотрудника лаборатории. Студенты допускаются в лабораторию только в сопровождении преподавателя.

Правила безопасности

1. Перед началом работы студенты должны ознакомиться со схемами питания лаборатории и отдельных установок.

2. Работа на установках высокого напряжения должна производиться не менее, чем двумя лицами.

3. При сборке испытательной схемы на высоковольтный вывод установки должно быть наложено заземление при помощи специальной заземляющей штанги. Сечение заземляющего провода должно быть не менее 4 мм².

4. Перед испытанием кабеля напряжением выше 1000 В его надо разрядить. Лицо, производящее разрядку, должно пользоваться диэлектрическими перчатками и галошами (или ковриком).

5. Собранная схема проверяется преподавателем или лаборантом. Схема может быть включена в работу только по разрешению преподавателя.

6. Включение общей силовой сети может производиться только преподавателем или лаборантом.

7. Перед подачей напряжения на испытательную установку необходимо

а) проверить, что все члены бригады находятся на местах, что посторонних людей нет;

б) сделать предупреждение бригаде словами «Подаю напряжение», после чего с вывода испытательной установки снять заземление и включить установку. С момента снятия заземляющей штанги вся установка должна считаться под напряжением и производить какие-либо пересоединения в испытательной схеме запрещается.

8. Расстояние от токоведущих частей испытательного оборудования и объектов испытания до заземленных постоянных ограждений должно быть не менее:

а) импульсные напряжения

до 100 кВ – 0,5 м;

до 150 кВ – 0,75 м;

до 400 кВ – 1 м;

до 500 кВ – 1,5 м;

б) постоянное напряжение и напряжение промышленной частоты (эффективное значение)

до 6 кВ – 0,17 м;

до 10 кВ – 0,23 м;

до 20 кВ – 0,3 м;

до 50 кВ – 0,5 м;

до 100 кВ – 1 м;

до 250 кВ – 1,5 м.

9. При проведении испытаний необходимо пользоваться изолирующим ковриком или подставкой. При работе с заземляющими штангами, измерительными штангами необходимо пользоваться диэлектрическими перчатками.

10. Во время испытаний запрещается:

а) протягивать за ограждение руки;

б) нарушать рабочую обстановку громкими разговорами, лишним хождением.

11. По окончании испытаний производитель работ снижает напряжение испытательной установки до нуля, отключает ее от сети 220 В, заземляет вывод испытательной установки и сообщает об этом бригаде словами «Напряжение снято». Только после этого можно производить пересоединения в схеме испытаний.

Все работающие в лаборатории должны помнить, что выключенный рубильник или автомат, а также отключенная блокировка не являются признаками отсутствия высокого напряжения. Только на заземленной установке можно производить пересоединения.

12. Заземление должно быть видимо со всех частей установки и с пульта управления.

13. Установки и аппараты высокого напряжения должны находиться под напряжением лишь то время, которое необходимо для производства наблюдений, испытаний и т.д.

При временном прекращении работы на данной установке последняя должна быть отключена от источника питания с созданием видимого разрыва.

14. Установка должна быть выключена и заземлена, если по ходу работы требуется что-либо обсудить или проверить.

15. Пересоединения производятся в диэлектрических перчатках.

16. При пользовании защитными средствами персонал обязан:

а) проверить его исправность и отсутствие внешних повреждений, очистить и обтереть от пыли; резиновые перчатки проверить на отсутствие проколов;

б) проверить по штампу, для какого напряжения допустимо применение данного средства и не истек ли срок его периодического испытания.

17. При обнаружении малейшей неисправности оборудования, защитного средства студент должен немедленно прекратить работу и доложить преподавателю или лаборанту.

18. После окончания работ бригада сдает установку лаборанту и убирает рабочее место.

Примечание: Настоящие правила составлены на основе «ПТЭ электроустановок потребителей и ПТБ при эксплуатации электроустановок потребителей».М.: Энергия, 1976.

Лабораторная работа 1

Электрические разряды в воздухе

Цель работы: исследование эффекта полярности и влияния барьеров на электрическую прочность воздушных промежутков. Знакомство с установкой для испытания изоляции типа АИИ-70.

Теоретические сведения

Оценка величин разрядных напряжений в воздушных промежутках имеет большое практическое значение, так как воздушная изоляция играет важную роль в различных высоковольтных конструкциях. Основной причиной возникновения электрического разряда в газе является ударная ионизация, которая возникает под действием электронов, ускоряемых электрическим полем. Способность электронов к ионизации характеризуется коэффициентом ударной ионизации , представляющим число ионизаций, осуществляемых электроном на единичном пути вдоль силовых линий электрического поля. Для развития разряда в газе необходим хотя бы один свободный электрон. После первого акта ионизации образуются два свободных электрона, затем четыре и т.д. Этот поток увеличивающегося числа электронов называется лавиной электронов. Число электронов в лавине:

,

где - коэффициент вторичной ионизации.

При низком давлении определяется, в основном, процессами на катоде, а при высоком давлении – фотоионизацией в объеме газа.

Начальный электрон возникает за счет внешнего ионизатора (излучения солнца, космического излучения и т.д). Чтобы в дальнейшем разряд не зависел от внешнего ионизатора, необходимо, чтобы начальная лавина за счет вторичных процессов создала хотя бы один вторичный электрон, который положил бы начало новой лавине. Разряд, не зависящий от внешнего ионизатора, называется самостоятельным, а условие самостоятельного разряда, очевидно, имеет вид или

Так как число электронов в лавине значительно больше 1, то условие можно записать в виде .

В однородном поле не зависит от координаты точки в промежутке, и условие самостоятельности разряда примет вид:

или

Разрядные напряжения при данном расстоянии между электродами зависят от строения электрического поля, времени воздействия напряжения, полярности электрода с меньшим радиусом кривизны, атмосферных условий и др.

Наименьшей электрической прочностью обладает промежуток «стержень-плоскость» (при прочих равных условиях). Разрядное напряжение в резконеоднородных полях может значительно превышать напряжение появления короны, поэтому пробой газа в таких полях происходит при наличии объемных зарядов, образовавшихся во время предварительной ионизации.

При постепенном увеличении напряжения, приложенного к промежутку «стержень-плоскость», ударная ионизация начинается прежде всего вблизи стержня, где напряженность поля особенно велика. При положительной полярности стержня образовавшийся в промежутке электрон, двигаясь к стержню и попадая в область сильного поля, начинает ионизировать газ и образует лавину электронов. Когда лавина доходит до стержня, электроны уходят на электрод, а положительные ионы сравнительно медленно перемещаются к противоположному электроду и, таким образом, вблизи стержня создается объемный положительный заряд (рис. 1.1).

Рис. 1.1

Положительный объемный заряд создает поле . Результирующее поле между электродами .

Напряженность поля у поверхности стержня уменьшается, и это затрудняет образование короны. С другой стороны, область ионизации распространяется в глубь промежутка, что облегчает развитие искрового разряда.

При отрицательной полярности стержня лавины электронов распространяются к плоскости. Электроны быстро покидают каналы лавин, оставляя позади положительный объемный заряд . Однако, уйдя из области большой напряженности поля, электроны теряют скорость и, захватываемые молекулами газа, образуют малоподвижные отрицательные ионы (рис 1.2).

Рис.1.2

Результирующая напряженность:

.

Из рис. 1.2 видно, что объемные заряды увеличивают напряженность поля вблизи стержня и, следовательно, облегчают появление короны, но зато снижают напряженность поля между объемными и зарядами , что затрудняет развитие искрового разряда. Разрядное напряжение при отрицательном стержне значительно выше, чем при положительном (в 2-2,5 раза).

Разрядные напряжения промежутков «стержень-плоскость» при положительной полярности стержня можно существенно повысить установкой в промежутке барьера. Барьер – это пластинка из диэлектрика, располагаемая в промежутке между электродами.

При установке барьера на некотором расстоянии от положительного стержня на его поверхности оседают положительные ионы и растекаются тем равномернее, чем дальше от стержня барьер установлен. Поле между барьером и плоскостью выравнивается, а между стержнем и барьером напряженность поля уменьшается (рис. 1.3).

Поэтому при положительной полярности стержня барьер, установленный на оптимальном расстоянии от острия (0.25-0.3 длины всего промежутка), может сильно (более чем в 2 раза) увеличить разрядное напряжение.

Рис. 1.3

При отрицательной полярности стержня барьер способствует созданию объемного концентрированного отрицательного заряда, который при отсутствии барьера был сильно рассеян в пространстве. Этот заряд увеличивает напряженность поля во внешнем пространстве, и разрядное напряжение даже несколько снижается.

Описание установки

Установка состоит из аппарата АИИ-70 и устройства для установки электродов различной формы и барьеров. Аппарат состоит из передвижного пульта на колесах и кенотронной приставки. Внутри пульта установлена пускорегулирующая и сигнальная аппаратура и высоковольтный трансформатор.

Кенотронная выпрямительная приставка выполнена в виде вертикального заполненного маслом цилиндра, внутри которого размещены трансформатор накала и кенотрон. На приставке установлен блок микроамперметра.

Принципиальная электрическая схема аппарата АИИ-70 представлена на рис. 1.4.

Работа с аппаратом АИИ-70 производится в следующем порядке:

1. Проверить заземление аппарата и ручного разрядника.

2. Соединить высоковольтный вывод трансформатора с кенотронной

приставной пружиной.

3. Подключить при помощи кабеля испытуемый объект к аппарату

а) при работе на выпрямленном напряжении навернуть муфту кабеля на вывод блока микроамперметра;

Рис. 1.4

б) при работе при переменном напряжении присоединить кабель к высоковольтному выводу кенотронной приставки, расположенному в средней части цилиндра;

4. Вставить вилку шнура питания в сеть, рукоятку «Защита» установить в

положение «Чувствительная» и, встав на изолирующую подставку, включить аппарат.

5. Плавно вращая рукоятку регулятора напряжения по часовой стрелке, повышать напряжение до пробоя воздушного промежутка.

Примечание. При работе на постоянном напряжении отсчет вести по шкале киловольтметра, отградуированной в киловольтах максимальных. При работе на переменном напряжении вести отсчет по шкале, отградуированной в киловольтах эффективных.

6. Вращая рукоятку регулятора против часовой стрелки, возвратить регулятор в крайнее положение.

7. Поднести стержень ручного разрядника к разряднику крючка блока микроамперметра и снять емкостной заряд через сопротивление.

Проведение эксперимента

Определить разрядные напряжения промежутка «стержень-плоскость» для расстояний между ними S=10, 20, 30 мм на постоянном напряжении при различной полярности стержня, а также на переменном напряжении (табл. 1.1).

Таблица 1.1

Расстояние между электродами S, мм

Разрядное напряжение, кВ

ср

ср

Ср

Установить барьер в промежутке между электродами и определить разрядные напряжения при различной полярности стержня. Расстояния между электродами принять 20-30 мм. Расстояние между барьером и стержнем устанавливать равным 5, 10, 15, 20 мм (табл. 1.2).

Таблица 1.2

Расстояние между стержнем и барьером d, мм
Разрядное напряжение, кВ
			ср				Ср

Обработка результатов

По данным табл. 1.1 построить зависимости . По данным табл. 1.2 построить зависимости и определить оптимальное расположение барьера в промежутке.

Оформление отчета

В отчете должна быть указана цель работы, приведены схемы аппарата АИИ-70, табл. 1.1, 1.2, графики , . Отчет завершается выводами по работе.

Контрольные вопросы

1. Какой разряд называется самостоятельным? Каково условие самостоятельного разряда?

2. Что такое эффект полярности при разрядах в резконеоднородном поле?

3. Как влияет установка диэлектрического барьера на электрическую прочность промежутка стержень-плоскость при отрицательной полярности стержня?

4. При каком положении диэлектрического барьера пробивное напряжение промежутка стержень-плоскость наибольшее?

Литература

1. Техника высоких напряжений /Под ред. Д.В. Разевига. -М.: Энергия, 1976, § 2.1-2.8.

Лабораторная работа 2